Practice and Application of Variable Frequency Combination Machine in Scratching Plate Transport Machine
段成相 DUAN Cheng-xiang；严学YAN Xue；吴云军 WU Yun-jun
（山东能源枣庄矿业（集团）有限责任公司，枣庄 277000）
（Shandong Energy Zaozhuang Mining（Group） Co.，Ltd.，Zaozhuang 277000，China）
摘要：煤矿综采工作面刮板运输机电机通常采用双速电动机驱动系统，使用工频直接启动的方式，容易造成设备快速启动，产生较大的机械冲击和电气冲击，减少了设备的使用寿命。变频一体机在刮板输送机上的应用成为人们研究的热点，变频调速一体机的使用实现了煤矿工作面刮板输送机变频技术的应用，减轻了起动机械转矩对设备的机械损伤,减少设备故障率,提高了煤矿生产效率。
Abstract: The two-speed motor drive system is usually used for the wiper transport motor of the comprehensive mining face of coal mine. It is easy to cause the equipment to start quickly by means of the direct start of the industrial frequency, which produces a large mechanical and electrical impact and reduces the service life of the equipment. The application of frequency conversion machine in scraper conveyor has become a hot spot in people's research. The use of frequency conversion speed adjustment machine has realized the application of frequency conversion technology of coal mine scraper conveyor, which has reduced the mechanical damage of starting mechanical torque to equipment and reduced equipment failure rate. The efficiency of coal mine production has been improved.
关键词：变频一体机；刮板运输机；变频技术；煤矿开采
Key words: frequency conversion machine；scratching transport aircraft；frequency conversion technology；coal mining
中图分类号：TD63+4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）23-0191-02
1 概述
目前采煤工作面运输机电机主要采用双速电机，存在占用空间大、功率分配不均匀、故障率高、耗能高、综合成本高等弊端。高压变频一体机是电机和变频器高度集成的产品，能够实现设备的重载软启、动态调速等功能，具备综合成本低、抗干扰能力强、供电距离远、具有断链保护、可靠性高、免维护等优点，较双速电机优势非常明显，通过合作设计变频一体机并在工作面运输机上应用，替换传统双速电机，在节能降耗、设备维护管理、降人提效、安全管理方面取得显著效果。
2 变频一体机主要构成、特点
高压变频一体机是电机和变频器高度集成的产品，主要由变频部分和电动机部分组成，其中变频部分又由主电路、控制电路、驱动电路、显示屏等组成。
主回路：变频部分为电压型交－直－交变频拓扑结构。电源经接触器、电抗器后通过六脉冲整流，然后由电力电容进行滤波稳压，再经由 IGBT 组成的逆变电路，将直流电逆变成频率、电压均可调的交流电（即 VVVF 电源），电气原理如图1 所示。
控制电路：控制电路是变频部分的心脏，各种信息的处理、控制以及指令的发送，都是由它来完成。它采集大部分实时信号，经过运算后产生 IGBT 的驱动信号，一方面通过光纤与驱动单元完成数据交换，另一方面把变频器的各种信息处理后送到显示屏显示。并且接收外部操作指令控制一体机运行。
驱动电路：驱动单元接收主控器的 IGBT 触发信号，并将 PWM 信号隔离放大，通过光纤信号控制 IGBT 导通和关断时间。同时还进行电流、电压及温度等变量信息的预处理，可以及时对IGBT 进行保护。
显示屏与指示灯 ：一体机非驱动端正面，有直流母线电压指示窗，和显示窗。内部装有高耐温的 LED显示屏，能够接收主控器发送的实时信息并显示出来。一体机正常工作时，显示直流母线电压、变频输出电流、输出功率和电机转速等实时参数，当一体机报故障，采取保护动作时，显示准确故障信息。另外 DC 指示窗左右两个 LED 灯是指示直流母线是否带电。
3 变频一体机较双速电机的创新点及优势
3.1 安装布局
双速电机需要高速、低速2根电缆，变频一体机只需要一电缆。
3.2 起动方式
双速电机低速起动，高速切换，高低速起动都对电网有4-7倍电流冲击。变频一体机为变频软起动，电流大小据负载情况而定， 起动电流不会超过额定电流的1.5倍，对电网没有冲击。
3.3 对设备的保护
双速电机需要增加限距器对机械部分进行保护，保护时间慢（秒级），对链条无法可靠保护。变频一体机与减速箱采用直连方式，通过变频器转矩对机械部分进行保护，保护时间快（毫秒级），具有断链和卡链保护。
3.4 速度调整
双速电机低速起动，高速切换，不能调速。变频一体机根据负荷情况可以灵活调整到任何速度。
3.5 在使用上
双速电机使用转矩大小受电压波动及电源容量影响较大，特别是长距离供电影响较大，变频一体机因电机和变频器整合在一起，电压容量、电压波动对起动转矩不大，在-15%～15%额定电压可以正常工作。
3.6 检修方便性
双速电机检修或接链等操作，需要配合液压马达进行且需要需要定期检修，维护量大，每年进行一次大修，大修费用高。变频一体机可以自行完成低速检修、接链的工作，且3年免维护，基本不需要大修。
3.7 在节能上
双速电机低速启动、高速切换，速度不能调整，造成始终高速运行，能源消耗量大。变频一体机电动机功率根据负载变化，特别是煤量较小时，输出功率跟着降低，较双速电机节能30-35%。
3.8 一体机性能指标及实现功能
①防爆性能：一体机和操作箱均符合国标GB3836等相关条款规定，防爆标志为Exd[ib]I Mb；
②一体机动力电和控制电接线方式为矿用隔爆电缆连接器的插接方式，动力电缆配套电缆快速插头和快速插座；
③一体机的供水为一进一出，进出水口分别装有KJ19的U形销式快速管接头阴端，用于与水管的快速插接；
④动力电缆进线长度除满足压降和电流外无特殊要求；
⑤一体机工作区间为一、三象限，适于大负荷、高转矩的设备使用；
⑥一体机内部采用模块化结构设计；
⑦一体机内部带有LED中文液晶显示屏，可以实时显示刮板输送机的运行状态、直流电压、功率器件温度、输出电流、功率和故障信息显示，一体机各关键点温度及故障信息等参数；
⑧一体机加减速时间0～1800s可调；
⑨一体机保护功能：短路、过载、过电压、欠电压、缺相、关键点过热及电机绕组漏电等保护功能。
3.9 三机控制系统性能指标及实现功能
①控制箱可以控制两台刮板输送机一体机的启停、功率平衡和故障保护；
②实现刮板输送机的正常运行模式和检修模式两种模式，可以分别设置两种模式下的运行速度； 控制箱具有12寸大屏幕真彩显示器，能够显示电流、电压、功率、报警、故障等信息。
③配有大容量存储卡记录现场采集的数据，满足1年数据存储需要，具有电流、功率等曲线及故障信息分析功能。
④控制箱具有数据上传功能，提供一路RS485接口用于数据上传和远程控制，通讯协议为ModBus RTU。
⑤系统具备在线故障诊断功能；
⑥设备具有机械与电气闭锁装置，停电上锁功能。
4 推广应用前景及效益预测
我矿于2018年5月在7118工作面前部运输机投入2台变频一体机，通过与双速电机对比，综合效益显著。
4.1 能耗大幅降低
4.1.1 电力费用
目前按实施三六制作业（两班生产一班检修），按正常开机率90%计算，每月电能消耗节约12小时×90%×1050千瓦/小时×30天×30%×0.65元=66339元，每年电能消耗节约66339元×12=796068元。
4.1.2 电缆购置费用
较双速电机能够减少1根电缆投入，每个工作面节约电缆购置费用12万元。变频一体机不仅可投入到工作面运输机，泵站、皮带运输机等设备都具备广泛的推广前景，如在全矿范围、全集团公司全面推广，节能效果在千万级以上。
4.2 修理费用大幅下降
①变频一体机能够实现3年免维护。
②普通双速电机每年至少需要投入一次大修，大修金额每台按10万元考虑，每年至少需投入修理费用20万元，2台电机3年需60万元。
5 结语
通过使用变频一体机，日常维护工作量减少，对设备起到非常好的保护作用，减速箱、链轮损坏大幅降低，没有出现断链现象，机械事故基本为零，始终处于良好工作状态。原采用双速电机，一个工作面生产周期需更换电机、减速箱、链轮不低于2次，保守估计降低修理、人工费用投入30万元。煤矿系高危行业，发展的趋势是智能化、无人化，变频一体机具备高可靠性、免维护性，能够有效减少维修人员数量，在减人提效方面效果显著，能够深入推进煤矿安全管理。
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